Развитие представлений о биохимической эволюции

В 1952 г. книга А.И. Опарина «Происхождение жизни» была переведена на английский язык. Под влиянием идей Опарина ученые многих стран занялись поиском истоков жизни и моделированием процессов, происходивших на Земле много миллионов лет назад.

В 1953 г. американский биохимик С. Миллер под руководством Г. Юри занялся экспериментальной проверкой новой гипотезы возникновения жизни. Миллер сконструировал прибор, с помощью которого можно было воссоздать условия, существовавшие на первобытной Земле, в том числе ее «океан» и «первичную атмосферу» (рис. 5.4). «Атмосферой» в этой модели служила смесь аммиака, водорода и метана, «океан» представляла вода. Воду нагревали, и тогда в «атмосферу» поступали водяные пары. В камеру с «атмосферой» монтировались электроды для получения электрических разрядов, имитировавших молнии, — возможный источник энергии для химических реакций на первобытной Земле. Эти разряды пропускали через смесь газов в течение недели. В результате в установке были получены многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, органические кислоты, их альдегиды, аденин, простые сахара и другие вещества. Опыты Миллера были многократно воспроизведены со смесями разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, нагревание). При отсутствии кислорода во всех случаях удавалось получить широкий набор различных веществ. Эти соединения образуются и в настоящее время в случаях, когда, например, раскаленная вулканическая лава вступает в реакцию с водой.

Наряду с синтезом белковых компонентов экспериментально были синтезированы компоненты нуклеиновых кислот — пуриновые и пиримиди-новые основания, а также сахара. При умеренном нагревании смеси HCN , NH 3 , H 2 O Дж. Оро получил аденин, а при взаимодействии аммиачного раствора мочевины с соединениями, возникающими из газов под влиянием электрических разрядов, — урацил. После этого Л. Орджел в сходных экспериментах синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц, а С. Акабюри получил полимеры простейших белков. Однако для синтеза биополимеров опять-таки требуется энергия. Необходимым условием также является строго определенное количество воды, потому что она служит исходным соединением для обратной реакции — расщепления биополимеров на мономеры.

В каких же условиях был возможен синтез биополимеров? С. Фокс считает, что белковоподобные вещества могли быть синтезированы в мелких водоемах после отлива воды или испарения ее в жаркие дни (термическая теория).

Метеориты Газы первичной атмосферы

При нагревании смеси сухих аминокислот на куске вулканической лавы до 100° С Фоксу удалось получить полипептид, молекулярная масса которого достигала 10 000 углеродных единиц. Такие полипептиды Фокс назвал протеиноидами. Подобно ферментам, протеиноиды обладали каталитическими свойствами и способностью образовывать мелкие коацерватные капли.

Румынские ученые Ф. Денеш и К. Симионеску считают, что источником энергии для абиогенного синтеза сложных органических веществ служила холодная плазма (низкотемпературная теория). Плазма широко распространена в природе. Ученые полагают, что в состоянии плазмы находится 99% Вселенной. Встречается это состояние материи и на современной Земле в виде молний, полярных сияний, а также наиболее важного типа плазмы — ионосферы.

Таким образом, экспериментально были получены доказательства возможного синтеза биополимеров в условиях древней Земли.

Некоторые ученые высказывают предположение, что синтез сложных органических веществ мог протекать и в космическом пространстве на газово-пылевых облаках, и Земля могла получить эти вещества в качестве «приданного» при своем возникновении.

Короткоцепочечные полимеры в водном растворе нестабильны и обычно распадаются на мономеры. А более длинные цепи стремятся свернуться благодаря притяжению между отдельными частями молекул, в результате чего молекулы стабилизируются. Поэтому водная среда, по-видимому, не могла разрушить попадавшие в нее биополимеры. Дальнейшая агрегация таких биополимеров, возможно, привела к образованию дискретных систем, которые явились предшественниками первичных примитивных организмов.

Известно, что молекулы многих веществ, в частности полипептидов и липидов, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между коацерватом и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов приобретает определенную структуру. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды.

С. Фокс экспериментально показал, что при охлаждении нагретых концентрированных растворов протеиноидов самопроизвольно возникали сферические капельки диаметром около 2 мкм — микросферы. При определенных значениях рН среды у этих капелек формировалась двухслойная оболочка, напоминающая мембрану современных клеток. Микросферы обладали также способностью делиться.

И хотя микросферы не содержат нуклеиновых кислот и в них отсутствует ярко выраженный метаболизм, они рассматриваются в качестве возможной модели самоорганизующихся структур — протобионтов, напоминающих примитивные клетки.

Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма, связанное с возникновением генетического кода и процесса трансляции.

В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы. Возможно, в протобионтах мог образоваться про-теиноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с образованием кольцевых РНК, состоящих из 10—12 нуклеотидов. При их репликации, которая может начинаться с любой точки «кольца», возникают различные линейные молекулы РНК. Именно эти молекулы могли выступить в качестве примитивных тРНК. Один конец этой молекулы РНК мог осуществлять функцию антикодона, другой — определителя аминокислот. Экспериментально было показано, что между аминокислотами и олигонуклеотидами возможны специфические взаимодействия. На основе этого мог возникнуть примитивный (без рибосом) аппарат биосинтеза белка, который в дальнейшем усложнялся и совершенствовался. У исходной кольцевой молекулы РНК в ходе эволюции, вероятно, остались функции иРНК, а функции хранения и передачи наследственной информации перешли к соответствующей молекуле ДНК, синтезированной на матрице генераторной РНК по принципу комплементарности.

Возможность возникновения живых организмов в условиях древней Земли частично подтверждается экспериментальным путем. В модельных опытах из неорганических веществ осуществлен синтез органических веществ и биополимеров, которые способны образовывать дискретные частицы, напоминающие примитивные клетки. Полагают, что синтез органических веществ и биополимеров мог осуществляться под воздействием различных источников энергии (электрических разрядов, солнечного света, радиоактивного излучения и др.).